Пробоподготовка. Фиксация образцов. Горячая запрессовка

Для облегчения металлографической подготовки и улучшения качества поверхности образцы фиксируют в механических приспособлениях (струбцинах или специальных держателях) и специальном материале по заданной форме: как правило, в смоле.

Необходимость фиксации образцов возникает, если:

• образец имеет малые размеры или сложную форму;
• необходимо подготовить одновременно несколько образцов;
• необходимо минимизировать заваливание краев и плоскостности образца – т.е. нужно удержание края;
• необходимо подготовить поверхность образца под строго определенным углом;
• образец хрупкий, имеет трещины, поры;
• применяется автоматическая или полуавтоматическая пробоподготовка на станках, в держатели которых устанавливаются образцы определенных формы и размера.

Шлифовка на алмазном диске образцов, запрессованных в смолу горячим способом, на полуавтоматическом станке

В данном разделе в формате отдельных статей рассмотрены порядок и особенности процессов фиксации образцов: горячей запрессовки образцов в смолу, холодной заливки, а также способы фиксации образцов в механических приспособлениях.

1. Процесс горячей запрессовки

Для горячей запрессовки образцов используют специальные прессы (Рисунок 1). Обобщенно процесс запрессовки выглядит следующим образом:

1. В рабочую камеру пресса – пресс-форму (Рисунок 2), представляющую собой полый цилиндр, ограниченный верхним и нижним пуансонами, помещают образец. Образец кладут исследуемой поверхностью на нижний пуансон. Многие модели прессов также позволяют разместить друг над другом два образца в пресс-форме, разделяя пространство металлической проставкой.
2. При помощи гидравлического или пневматического привода нижний пуансон опускают до уровня, позволяющего засыпать в пресс-форму смолу в форме порошка или гранул, в количестве, достаточном для запрессовки образца по всей его высоте.
3. Пресс-форму закрывают верхним пуансоном. Поднимая нижний пуансон, создают необходимое давление, при этом пресс-форму нагревают до требуемой температуры, тем самым вызывая спекание порошковых частиц смолы между собой. За создание давления и нагрев, как правило, отвечает автоматика.
4. Выдержав необходимое для полного спекания смолы время, рабочую камеру охлаждают до комнатной температуры. После охлаждения пресс-форму открывают и, поднимая нижний пуансон, из камеры извлекают запрессованный в смоле образец – запрессовку (или на проф. сленге: «таблетку»), отправляемую на последующую пробоподготовку.

! Следует отметить, часто процесс спекания ошибочно называют «полимеризацией», однако смола для горячей запрессовки уже является готовым полимером в форме порошка или гранул. Полимеризация же проходит при смешивании и отверждении смол для холодной заливки.

Рисунок 1 - Металлографический пресс для горячей запрессовки

2. Преимущества и недостатки горячей запрессовки

Запрессовка образца имеет ряд преимуществ перед холодной заливкой:

+ высокая плотность запрессовки за счет давления, создаваемого в рабочей камере. Высокая плотность, в свою очередь, обеспечивает лучшее удержание края образца при шлифовке и полировке, а также снижает количество абразива, попадающего в зазор между образцом и смолой при шлифовке и полировке, выкрашивание которого при финишной полировке может оставлять артефакты на исследуемой поверхности;

+ широкий выбор смол с различными свойствами: например, электропроводностью, позволяющей проводить исследования на РЭМ или разнообразием расцветок, что может быть удобно при маркировке и идентификации образцов;

+ возможность работы с образцами любой твердости;

+ точные и повторяемые размеры запрессовок;

+ относительная безопасность для персонала при работе со смолами. Отсутствие необходимости в наличии вытяжного шкафа;

+ относительная простота по сравнению с холодной заливкой за счет автоматизированности большинства производимых на сегодня металлографических прессов, что также позволяет персоналу лаборатории выполнять другие работы параллельно с запрессовкой.

Наряду с преимуществами, запрессовка имеет ряд ограничений по своему применению, в результате чего, фиксацию образцов в смоле можно произвести только холодной заливкой:

‒ не рекомендуется запрессовка в смолу очень тонких, хрупких или рыхлых (крошащихся) образцов, так как создаваемое в рабочей камере давление может привести к их деформации или разрушению;

‒ в случае со слоистыми материалами следует иметь в виду, что напряжения, образующиеся при спекании смолы, могут приводить к отслаиванию плакирующих или защитных слоев от основного материала;

‒ при запрессовке температура спекания смолы составляет 150-200 °С, что может повлиять на структуру образцов из материалов, термочувствительных при данной температуре., например, склонных к термическому старению;

‒ наконец, горячая запрессовка требует наличия пресса, что влечет за собой материальные вложения для его приобретения.

! Следует отметить, что первые два недостатка могут быть минимизированы предварительным нагревом смолы в прессе до температуры ее плавления, после чего в пресс-форму подается необходимое давление - в некоторых моделях прессов для этого предусмотрен режим для хрупких образцов.

3. Виды и свойства смол для горячей запрессовки

Как упоминалось выше, для запрессовки предлагается достаточно широкий выбор смол, разделяющихся на две группы: термореактивные (или дюропластичные) и термопластичные. Полное спекание термореактивной смолы происходит при достижении температуры спекания и выдержке при ней в течение некоторого времени (обычно до 5-7 минут). Таблетка может быть извлечена из рабочей камеры пресса сразу после выдержки, однако во избежание ожогов и для легкости извлечения таблетки, рабочую камеру пресса принудительно охлаждают при помощи системы водяного охлаждения (водяной рубашки). Следует отметить, что процесс спекания термореактивных смол необратим – т.е. при неудачной запрессовке наиболее рациональным решением будет извлечь образец из смолы и запрессовать его снова. К группе термореактивных смол относятся бакелит(или «фенольная смола», «фенол», т. к. бакелит и есть материал на основе фенолформальдегидных смол), эпоксидные смолы и диаллилфталаты.

Термопластичные смолы сначала расплавляются при требуемой температуре, приобретая нужную форму, а затем затвердевают при охлаждении под давлением. Поэтому для полного спекания такой смолы охлаждение в пресс-форме является обязательным условием. Характерным отличием термопластичных смол от термореактивных является их теоретическая способность к переплаву и повторному применению для запрессовки. Наиболее широко используемыми термопластичными смолами являются акриловые смолы.

В сравнительной Таблице 1 приведены некоторые свойства наиболее широко используемых смол для горячей запрессовки, с более подробным описанием далее по тексту.

Таблица 1 - Свойства смол для горячей запрессовки

Таблица 1 - Свойства смол для горячей запрессовки

3.1 Бакелит

Рисунок 3 - Бакелитовые смолы трех расцветок в виде гранул и запрессованные в них образцы

Запрессовочный бакелит (рисунок 3) – продукт на основе фенолформальдегидных смол с добавлением древесной муки и красителя. Химической стойкости и твердости бакелита достаточно для большинства металлографических задач, включая оптическую микроскопию, сканирующую оптическую микроскопию (при условии наклейки на образцы электропроводящей ленты или при совместном использовании с электропроводящими смолами), измерение твердости и микротвердости.

Основные преимущества бакелита:

+ относительно низкая стоимость, из-за чего бакелит часто используется совместно с другими смолами, являясь заполняющей смолой в таблетке;

+ разнообразие расцветок, что может быть полезным для маркировки и идентификации образцов.

Основные недостатки бакелита по сравнению с другими смолами связаны с его относительно низкой твердостью:

- смола, прилегающая к краям образца, может выкрашиваться. В свою очередь, недостаточная фиксация образца приводит к слабому удержанию края образца и их завалу, что нежелательно, например, при исследовании тонких наплавленных или плакированных слоев;

- более высокая погрешность при измерениях твердости запрессованного образца, по сравнению с другими смолами.

Возможные проблемы при запрессовке образцов в бакелит и способы их решения

Наиболее частой проблемой является неполное спекание смолы, проявляющееся в виде рыхлости таблетки. Косвенно о неполном спекании смолы свидетельствует её растворение в спирте, что можно проверить, протерев таблетку смоченной в спирте ватой – вата моментально окрасится в цвет смолы (на Рисунке 4 показан наглядный пример). Решить указанную проблему можно увеличив температуру спекания или время выдержки смолы при заданной температуре. Неполное спекание также может говорить о неисправности пресса.

Рисунок 4 - Неполное спекание бакелита, показанное окрашиванием смоченной в спирте ваты

3.2 Акриловая смола

Рисунок 5 - Акриловая смола в виде порошка

Акриловая смола поставляется в форме белого порошка (Рисунок 5), при спекании приобретающего прозрачный вид. Применение прозрачности смолы может быть различным: от демонстрации запрессованного образца до маркировки образцов (Рисунок 6). Маркировку производят в следующем порядке:

1. в пресс-форму с образцом засыпают заполняющую смолу (например, бакелит или любую другую) на всю высоту образца;
2. поверх основной смолы насыпают тонкий слой акриловой смолы;
3. далее на акриловый слой кладется бирка (из бумаги, картона и пр.) с соответствующей маркировкой;
4. бирку покрывают еще одним (тонким) слоем акриловой смолы, после чего проводят запрессовку.

Запрессовка образцов в акриловую смолу, как и в случае с бакелитом, пригодна для большинства металлографических задач. Кроме того, акриловая смола, и в целом, термопластичные смолы хорошо подходят для запрессовки пористых образцов. Наилучших результатов можно также достичь при использовании подогрева смолы перед приложением основного усилия.

Возможные проблемы при запрессовке образцов в акриловую смолу и способы их решения

Проблемой, в целом характерной для термопластичных смол, может стать т.н. эффект «ватного шарика» – неполное спекание смолы, как из-за недостаточной температуры ее нагрева, давления в пресс-форме или времени выдержки, так и вследствие недостаточного охлаждения в пресс-форме под давлением (Рисунки 7 и 8). Соответственно, решением проблемы будет оптимизация вышеуказанных параметров.

Дополнительными проблемами могут стать появление воздушных пузырьков в запрессованной акриловой смоле вследствие недостаточного давления в пресс-форме, а также помутнение смолы вокруг образца, если образец был влажным или загрязненным.

Рисунок 7 - Эффект «ватного шарика» акриловой смолы вследствие недостаточной температуры и времени спекания: (a) 150 °C, 3 мин, принуд. охлаждение 2 мин, (b) 150 °C, 3 мин, принуд. охлаждение 3 мин, (с) 170 °C, 4 мин, принуд. охлаждение 3 мин, (d) 200 °C, 5 мин, принуд. охлаждение 3 мин [Взято из Pace technologies metallographic handbook]

3.3 Эпоксидная смола

Рисунок 9 - Эпоксидная смола в виде гранул

По сравнению с бакелитом, запрессованная эпоксидная смола (Рисунки 9 и 10) имеет повышенную химической стойкость к растворителям, кислотам и щелочам, а также значительно более высокую твердость, как правило, повышаемую путем добавления в смолу стекловолокна. Высокая твердость запрессовки обеспечивает лучшее удержание края образца (Рисунки 11 и 12). Несмотря на более высокую (примерно в 2-3 раза, в зависимости от производителя) стоимость, эпоксидная смола часто незаменима при исследовании поверхностных слоёв образца, где требуется минимальный завал края. Кроме того, за счет лучшего удержания края в ходе предварительных этапов шлифовки и полировки стык между смолой и образцом меньше наполняется абразивом, способным выкрашиваться при финишной обработке.

Рисунок 11 - Край полированного на суспензии 1 мкм образца, запрессованного в бакелит - обратите внимание на царапины, оставленные выкрошенным из стыков абразивом

Для экономичного расходования рекомендуется засыпать в пресс-форму с образцами разумно тонкий слой эпоксидной смолы, способный обеспечить необходимое удержание края. Следующим слоем, как правило, засыпают более дешёвые бакелит и/или акриловую смолу (Рисунок 13).

Рисунок 13 - Пример экономичной запрессовки образцов в эпоксидную смолу (черная сверху) вместе с бакелитом (красный снизу)

Возможные проблемы при запрессовке образцов в эпоксидную смолу и способы их решения:

Проблема аналогична существующей при запрессовке образцов в бакелит – недостаточное спекание смолы. Решается аналогичным в случае с бакелитом способом.

3.4 Диаллилфталаты

Рисунок 14 - Диаллилфталатные смолы с медным и графитовым наполнителями

Диаллилфталатами обычно называют смолы с различными наполнителями, предназначенные для решения узкоспециализированных металлографических задач. Запрессованные смолы со стекло- или минеральным наполнителями обладают высокой твердостью, обеспечивающей удержание края образца и высокую химическую стойкость. Диаллилфталаты с медным или графитовым наполнителями, обеспечивающими электропроводность запрессованных образцов, предназначены для исследования методами сканирующей электронной микроскопии (РЭМ) и рентгеновского микроанализа, а также для электрополировки и электротравления образцов. Несмотря на то, что некоторые производители рекомендуют использовать смолу с медным наполнителем только для электрополировки/электротравления, а смолу с графитовым наполнителем для РЭМ, на практике медьсодержащая смола может с успехом применяться для РЭМ, если только, в образце медь не является первичной составляющей, а образец не исследуется рентгеновским микроанализом.

Для экономичного расходования электропроводящие смолы можно засыпать в пресс-форму после более доступных бакелита или акриловой смолы, обеспечивая при этом соприкосновение электропроводящей смолы с образцом, столиком микроскопа или электродами электрополировальной/лектротравильной установки.

4. Общие рекомендации по горячей запрессовке

• Регулярно очищайте пресс-форму от следов предыдущей запрессовки: остатков смолы, нагара.
• Для снижения пригорания смолы к пресс-форме периодически смазывайте ее стенки специальным воском или силиконовой смазкой (представлены на Рисунках 16 и 17).

Рисунок 16 - Воск LECO для извлечения запрессовок из пресс-формы

• Перед загрузкой в пресс-форму тщательно очищайте образец от заусенцев, окалины, и жировых пятен, способных ухудшить прилегание смолы к образцу. Наилучшим вариантом будет очистка образца в ультразвуковой ванне с водой или спиртом с последующей сушкой под феном или в сушильном шкафу.
• Избегайте близкого расположения краев образца (особенно его углов) к стенкам пресс-формы во избежание образования концентраторов напряжений и последующего растрескивания смолы в данных участках. Рекомендуемое расстояние: не менее 3 мм.
• Для снижения расходов используйте более дорогие эпоксидную смолу и диаллилфталаты совместно с относительно недорогим бакелитом.
• При необходимости запрессовки хрупких, рыхлых или очень тонких образцов, предварительно нагрейте смолу до температуры ее плавления и только потом подавайте давление в пресс-форму. Таким образом, снизится риск деформации и разрушения образцов при запрессовке. В некоторых прессах для этого предусмотрен отдельный режим.
• Старайтесь не работать на максимальном для пресса давлении, т.к. это может привести, как к деформации и разрушению образцов, так и к преждевременному выходу узлов пресс-формы из строя.
• Для повышения удобства и точности позиционирования образцов в смоле используйте аксессуары: воронки для засыпки смолы в пресс-форму, извлекатели разделителей пресс-формы, клипсы-прищепки для фиксации образцов и пр. (Рисунок 18). Иногда для размещения образцов в запрессовке достаточно использовать подручные предметы, как это показано на Рисунках 19 и 20.

Рисунок 18 - Пластиковые клипсы (слева) и металлические зажимы (справа) для фиксации тонких образцов [Взято из Pace technologies metallographic handbook]

Источники:

1. Материалы семинара QATM, Санкт-Петербург, 2018

2. Pace technologies metallographic handbook https://www.metallographic.com/Brochures/Met-manual-2b.pdf

3. Struers Metalog Guide